3.2.2 路由部分程序設計
DSR協議自組織互聯[6]的具體實現過程,可分為路由發現過程和路由維護過程:
1) 路由發現過程:某節點要向目的節點發送數據,查詢該節點到目的節點的路由信息,如果沒有,則廣播發送路由請求幀,每個收到路由請求幀的節點作為中間節點將自己的地址加入到路由請求幀的中繼節點地址里,重新廣播,直到路由請求幀到達目的節點,這時,目的節點就得到了到達請求節點的完整路由。然后,目的節點將所得到的路由信息包含在路由響應幀,沿著反向路由,將路由相應幀發送回請求節點。該請求節點在收到路由響應幀以后,將路由信息存入路由存儲器中,添加到發送數據命令的頭部。
2) 路由維護過程:在數據逐跳傳輸過程中,如果發現鏈路失效,中繼節點向源節點發送路由錯誤幀,源節點收到路由錯誤幀以后刪除失敗路由,重新進行路由發現。
節點通信流程為:新節點入網上電初始化后,發送路由請求到目的節點,如果沒有收目的節點的路由應答,則該節點廣播路由請求,當網絡中的其他節點接收到路由請求幀后,如果沒有超過規定的跳數,則返回路由響應幀給源節點,新節點在接收到路由響應幀后,就建立起了從新節點到目的節點的路由。當路由無效時,節點就會收到路由錯誤幀,然后刪除路由表,并開始新的路由請求,建立新路由。
流程圖如圖9所示。
4 結束語
在本設計中,將DSR協議進行了改進簡化,將其應用于智能家居系統中,實現了家電互連,擴展了網絡鋪蓋范圍,節點自行組網,提高了網絡的擴展性和健壯性。
參考文獻:
[1] 李善倉,張克旺.無線傳感器網絡原理與應用[M].北京:機械工業出版社,2008.
[2] Single chip 2.4GHz Transceiver nRF2401,June 2004.
[3] 三恒星科技.AVR單片機原理與應用實例[M].北京:電子工業出版社,2009.
[4] Anipakala Suresh Performance Analysis of Ad hoc On-demand Distance Vector routing (AODV)using OPNET Simulator,Communication Networks University of Bremen,11th April 2005.
[5] 喻金錢,俞斌.短距離無線通信詳解[M].北京:航空航天大學出版社,2009.
[6] 陳林星.移動Ad Hoc網絡[M],北京:電子工業出版社,2006.
摘要:該文介紹了一種基于atmega16l單片機和nRF2401射頻收發器的無線智能家居節點,并將無線自組織思想應用其中,改進了DSR路由協議的規范,利用RREQ、RREP和RERR等協議幀進行路由查找和維護,實現網絡自組織和數據的多點跳傳。
關鍵詞:智能家居;nRF2401;DSR;自組織路由
中圖分類號:TP18文獻標識碼:A文章編號:1009-3044(2010)07-1693-3
A Self-organizing Network Node Design of Smart Home on nRF2401
LI Min, ZHANG Yi
(Chongqing University of Posts and Telecommunications, Chongqing 400065, China)
Abstract: In this thesis, a kind of nodes of Smart Home network was designed with MCU Atmega16l and radio frequency transceiver nRF2401 was studied. And the wireless self-organizing technology was applied in the system. According to the DSR Route protocol specification, uses RREQ、RREP and RERR frames to discover and maintain routing.So the network was self-organization and data transmited multi-hop.
Key words: Smart Home; nRF2401; DSR; self-organizing routing
針對現在家庭網絡的組網不靈活,擴展性不好,無法自動識別新入網的設備,也無法實時得知已離開網絡的設備,而且當目的設備節點與控制節點距離超過可靠通信距離,或者天線功率不足時,會導致某些節點設備脫離網絡等弊端,本設計將自組織網絡技術應用于智能家居系統,從而實現設備之間的自組多跳傳輸,使得網絡更加的靈活,可靠,而且成本低,易于開發。
1 系統概述
隨著無線通信技術的發展,無線網絡比有線網絡具有通信范圍不受環境條件限制、網絡建設周期短、施工成本低、易于維護、可擴展性好等優點,逐漸取代了有線網絡,成為智能家居網絡系統組網的首選。[1]
比較目前存在的各種各樣的無線接入方式,射頻無線技術可以實現點對多點的連接,對通信的方向無限制,傳輸距離較大,成本低,而且性能高。所以本文的智能家居系統采用無線射頻技術。
該智能家居系統是一個基于nRF2401[2]的小型無線控制系統,是采用標準化、模塊化和系統化的設計,將各個無線終端和主機管理終端通過通信網絡為紐帶,組成的管理控制系統,該系統靈活配置,組態方便,具有自適應性等特點。
系統結構如圖1所示。
在各節點都有一個透明的協議實現智能適應性組網,節點之間建立無線鏈路,實現節點互連,而且節點之間通過自組網協議互相識別,協同工作。
每個終端節點不僅僅可以作為通信的終端,還可以作為通信的中間節點,對信息進行轉發,使得整個網絡具有自組織性,并可實現多跳路由,從而增加了網絡節點,擴展了網絡鋪蓋范圍,即使某個節點發生故障,其他節點也能實時感知,并進行相應的路由調整。
當節點收到主控發送的命令后,該節點首先查詢其路由表,找到目的節點的路由信息,并添加到命令幀中直接發送。當目的節點的路由信息不存在時,該節點作為源節點開始路由查詢,直到接收到目的節點返回的路由請求響應幀,從而就可以建立從主控端到目的節點之間的通信鏈路,添加其返回的目的節點的路由信息到命令幀,然后發送。
當一個新的終端節點加入網絡中時,在上電初始化后,就廣播其路由請求,獲得該節點到主控端的路由信息,并存儲起來,此時,就實現了新節點的入網。
2 終端節點的硬件結構設計
終端無線通信節點既是普通節點,又具有中繼節點的功能,在主控端通信距離之內時,可直接與主控端進行通信,當距離太遠,則需要其他在通信范圍內的節點作為中繼節點,轉發實現通信。
節點構成圖如圖2 ,它包括處理器與無線傳輸模塊。
2.1 單片機部分
本設計采用的是Atmel公司的atmega16l[3]單片機,用于對無線終端節點設備的控制、任務調度以及功能協調。
Atmega16l是一種高性能、低功耗的8位AVR微處理器,具有以下優點:1) 接口豐富;2) 速度快:由于AVR絕大部分的指令是單周期指令,所以幾乎可以獲得1MIPS的指令速度;3) 支持IAP:即系統自編程,方便系統遠程升級、維護;4) 一般都內置EEPROM,便于調電存儲;5) 中高檔芯片調試方便:使用了簡化的JTAG協議,可以用支持的JTAG仿真器在線仿真,能夠真實的反映系統情況。
2.2 無線通信模塊
其中的無線通信模塊選擇使用Nordic公司推出的無線收發一體芯片nRF2401[1]用于節點間的數據收發,它具有外圍電路簡單,通信速率高,通信質量可靠穩定、成本低,開發周期快、短、而且沒有復雜的通信協議,對用戶透明,而且同種產品之間可以自由通信、組網靈活等優點。
而且nRF2401只需要通過CS、CLK1和DATA三個引腳完成所有配置工作的,設計簡單,易于編程。
3 軟件設計
3.1 通信協議
應用于自組織網絡[4]中的路由算法,主要可以分為驅動路由算法,如目的序號距離矢量算法、無線路由協議等;按需驅動路由算法,如Ad hoc按需距離適量算法、臨時排序路由算法、動態源路由算法、基于關聯性的路由算法、動態源路由算法等。
本文選用DSR路由協議,這是一種重要的按需路由協議,針對智能家居網絡比較穩定,可移動性較差的特點,對DSR協議進行了簡化和改進。
改進后的DSR 路由協議定義了三種消息類型: 路由請求RREQ, 路由應答RREP, 路由錯誤RERR。改進后的幀格式如圖3~5所示。
底層nRF2401的數據幀格式如圖6所示。
其中,PRE-AMBLE段為數據包頭, ADDRESS段為接收方通道硬件地址段,只有符合本機硬件地址的數據幀才會被接收,CRC段為數據校驗段,PAYLOAD段為待發送數據段。
3.2 程序設計
3.2.1 底層無線數據收發軟件設計[5]
在發送數據時, CE置為高電平且CS為低電平,系統為數據發送狀態,將數據按時序的規定輸入,待所有的數據輸入完成后,將CE置為低電平,nRF2401對輸入的數據根據設置的要求進行調制,添加CRC校驗和前導碼,并且從天線端發送出去。其發送代碼流程如圖7所示。
在接收數據時,工作使能管腳CE置為高電平,等待數據的到來,節點開始對空中的信號進行自動捕捉,當收到與本節點地址相同的數據時,接收數據,并自動校驗CRC,如果數據準確無誤,這些數據就被存放在nRF2401的接收緩沖區中,然后控制中斷引腳DR1,使之置1,通知MCU可以接收數據。這時,MCU就可以根據時規定從nRF2401中讀出數據。其接收代碼流程如圖8所示。
DSR協議自組織互聯[6]的具體實現過程,可分為路由發現過程和路由維護過程:
1) 路由發現過程:某節點要向目的節點發送數據,查詢該節點到目的節點的路由信息,如果沒有,則廣播發送路由請求幀,每個收到路由請求幀的節點作為中間節點將自己的地址加入到路由請求幀的中繼節點地址里,重新廣播,直到路由請求幀到達目的節點,這時,目的節點就得到了到達請求節點的完整路由。然后,目的節點將所得到的路由信息包含在路由響應幀,沿著反向路由,將路由相應幀發送回請求節點。該請求節點在收到路由響應幀以后,將路由信息存入路由存儲器中,添加到發送數據命令的頭部。
2) 路由維護過程:在數據逐跳傳輸過程中,如果發現鏈路失效,中繼節點向源節點發送路由錯誤幀,源節點收到路由錯誤幀以后刪除失敗路由,重新進行路由發現。
節點通信流程為:新節點入網上電初始化后,發送路由請求到目的節點,如果沒有收目的節點的路由應答,則該節點廣播路由請求,當網絡中的其他節點接收到路由請求幀后,如果沒有超過規定的跳數,則返回路由響應幀給源節點,新節點在接收到路由響應幀后,就建立起了從新節點到目的節點的路由。當路由無效時,節點就會收到路由錯誤幀,然后刪除路由表,并開始新的路由請求,建立新路由。
流程圖如圖9所示。
4 結束語
在本設計中,將DSR協議進行了改進簡化,將其應用于智能家居系統中,實現了家電互連,擴展了網絡鋪蓋范圍,節點自行組網,提高了網絡的擴展性和健壯性。
參考文獻:
[1] 李善倉,張克旺.無線傳感器網絡原理與應用[M].北京:機械工業出版社,2008.
[2] Single chip 2.4GHz Transceiver nRF2401,June 2004.
[3] 三恒星科技.AVR單片機原理與應用實例[M].北京:電子工業出版社,2009.
[4] Anipakala Suresh Performance Analysis of Ad hoc On-demand Distance Vector routing (AODV)using OPNET Simulator,Communication Networks University of Bremen,11th April 2005.
[5] 喻金錢,俞斌.短距離無線通信詳解[M].北京:航空航天大學出版社,2009.
[6] 陳林星.移動Ad Hoc網絡[M],北京:電子工業出版社,2006.
摘要:該文介紹了一種基于atmega16l單片機和nRF2401射頻收發器的無線智能家居節點,并將無線自組織思想應用其中,改進了DSR路由協議的規范,利用RREQ、RREP和RERR等協議幀進行路由查找和維護,實現網絡自組織和數據的多點跳傳。
關鍵詞:智能家居;nRF2401;DSR;自組織路由
中圖分類號:TP18文獻標識碼:A文章編號:1009-3044(2010)07-1693-3
A Self-organizing Network Node Design of Smart Home on nRF2401
LI Min, ZHANG Yi
(Chongqing University of Posts and Telecommunications, Chongqing 400065, China)
Abstract: In this thesis, a kind of nodes of Smart Home network was designed with MCU Atmega16l and radio frequency transceiver nRF2401 was studied. And the wireless self-organizing technology was applied in the system. According to the DSR Route protocol specification, uses RREQ、RREP and RERR frames to discover and maintain routing.So the network was self-organization and data transmited multi-hop.
Key words: Smart Home; nRF2401; DSR; self-organizing routing
針對現在家庭網絡的組網不靈活,擴展性不好,無法自動識別新入網的設備,也無法實時得知已離開網絡的設備,而且當目的設備節點與控制節點距離超過可靠通信距離,或者天線功率不足時,會導致某些節點設備脫離網絡等弊端,本設計將自組織網絡技術應用于智能家居系統,從而實現設備之間的自組多跳傳輸,使得網絡更加的靈活,可靠,而且成本低,易于開發。
1 系統概述
隨著無線通信技術的發展,無線網絡比有線網絡具有通信范圍不受環境條件限制、網絡建設周期短、施工成本低、易于維護、可擴展性好等優點,逐漸取代了有線網絡,成為智能家居網絡系統組網的首選。[1]
比較目前存在的各種各樣的無線接入方式,射頻無線技術可以實現點對多點的連接,對通信的方向無限制,傳輸距離較大,成本低,而且性能高。所以本文的智能家居系統采用無線射頻技術。
該智能家居系統是一個基于nRF2401[2]的小型無線控制系統,是采用標準化、模塊化和系統化的設計,將各個無線終端和主機管理終端通過通信網絡為紐帶,組成的管理控制系統,該系統靈活配置,組態方便,具有自適應性等特點。
系統結構如圖1所示。
在各節點都有一個透明的協議實現智能適應性組網,節點之間建立無線鏈路,實現節點互連,而且節點之間通過自組網協議互相識別,協同工作。
每個終端節點不僅僅可以作為通信的終端,還可以作為通信的中間節點,對信息進行轉發,使得整個網絡具有自組織性,并可實現多跳路由,從而增加了網絡節點,擴展了網絡鋪蓋范圍,即使某個節點發生故障,其他節點也能實時感知,并進行相應的路由調整。
當節點收到主控發送的命令后,該節點首先查詢其路由表,找到目的節點的路由信息,并添加到命令幀中直接發送。當目的節點的路由信息不存在時,該節點作為源節點開始路由查詢,直到接收到目的節點返回的路由請求響應幀,從而就可以建立從主控端到目的節點之間的通信鏈路,添加其返回的目的節點的路由信息到命令幀,然后發送。
當一個新的終端節點加入網絡中時,在上電初始化后,就廣播其路由請求,獲得該節點到主控端的路由信息,并存儲起來,此時,就實現了新節點的入網。
2 終端節點的硬件結構設計
終端無線通信節點既是普通節點,又具有中繼節點的功能,在主控端通信距離之內時,可直接與主控端進行通信,當距離太遠,則需要其他在通信范圍內的節點作為中繼節點,轉發實現通信。
節點構成圖如圖2 ,它包括處理器與無線傳輸模塊。
2.1 單片機部分
本設計采用的是Atmel公司的atmega16l[3]單片機,用于對無線終端節點設備的控制、任務調度以及功能協調。
Atmega16l是一種高性能、低功耗的8位AVR微處理器,具有以下優點:1) 接口豐富;2) 速度快:由于AVR絕大部分的指令是單周期指令,所以幾乎可以獲得1MIPS的指令速度;3) 支持IAP:即系統自編程,方便系統遠程升級、維護;4) 一般都內置EEPROM,便于調電存儲;5) 中高檔芯片調試方便:使用了簡化的JTAG協議,可以用支持的JTAG仿真器在線仿真,能夠真實的反映系統情況。
2.2 無線通信模塊
其中的無線通信模塊選擇使用Nordic公司推出的無線收發一體芯片nRF2401[1]用于節點間的數據收發,它具有外圍電路簡單,通信速率高,通信質量可靠穩定、成本低,開發周期快、短、而且沒有復雜的通信協議,對用戶透明,而且同種產品之間可以自由通信、組網靈活等優點。
而且nRF2401只需要通過CS、CLK1和DATA三個引腳完成所有配置工作的,設計簡單,易于編程。
3 軟件設計
3.1 通信協議
應用于自組織網絡[4]中的路由算法,主要可以分為驅動路由算法,如目的序號距離矢量算法、無線路由協議等;按需驅動路由算法,如Ad hoc按需距離適量算法、臨時排序路由算法、動態源路由算法、基于關聯性的路由算法、動態源路由算法等。
本文選用DSR路由協議,這是一種重要的按需路由協議,針對智能家居網絡比較穩定,可移動性較差的特點,對DSR協議進行了簡化和改進。
改進后的DSR 路由協議定義了三種消息類型: 路由請求RREQ, 路由應答RREP, 路由錯誤RERR。改進后的幀格式如圖3~5所示。
底層nRF2401的數據幀格式如圖6所示。
其中,PRE-AMBLE段為數據包頭, ADDRESS段為接收方通道硬件地址段,只有符合本機硬件地址的數據幀才會被接收,CRC段為數據校驗段,PAYLOAD段為待發送數據段。
3.2 程序設計
3.2.1 底層無線數據收發軟件設計[5]
在發送數據時, CE置為高電平且CS為低電平,系統為數據發送狀態,將數據按時序的規定輸入,待所有的數據輸入完成后,將CE置為低電平,nRF2401對輸入的數據根據設置的要求進行調制,添加CRC校驗和前導碼,并且從天線端發送出去。其發送代碼流程如圖7所示。
在接收數據時,工作使能管腳CE置為高電平,等待數據的到來,節點開始對空中的信號進行自動捕捉,當收到與本節點地址相同的數據時,接收數據,并自動校驗CRC,如果數據準確無誤,這些數據就被存放在nRF2401的接收緩沖區中,然后控制中斷引腳DR1,使之置1,通知MCU可以接收數據。這時,MCU就可以根據時規定從nRF2401中讀出數據。其接收代碼流程如圖8所示。
